Na przestrzeni ostatnich kilku lat można obserwować niezwykle szybko postępującą ewolucję specyfikacji systemów komórkowych, stanowiących jeden z głównych elementów krytycznej infrastruktury teleinformatycznej każdego państwa. Ich głównym przedstawicielem jest obecnie system LTE (ang. Long Term Evolution). Faktem jest, że rozwój sieci komórkowych charakteryzuje niezwykle duża dynamika zmian. W przypadku systemu LTE wyraźnie obserwowana jest tendencja do wprowadzania rozwiązań, bazujących na protokole internetowym IP, szczególnie w odniesieniu do sieci szkieletowej tego systemu. Kolejne wersje specyfikacji wprowadzają nowatorskie rozwiązania, głównie w zakresie skali rozwiązań, bazujących właśnie na protokole IP.

Z całą pewnością należy stwierdzić, iż zagadnieniom oszczędności energii w kolejnych wersjach specyfikacji publikowanych przez organizację 3GPP poświęca się zdecydowanie coraz więcej uwagi, co daje wyraźne powody do zadowolenia. Niestety, problematyka budowy efektywnych energetycznie sieci komórkowych, dotyczy głównie rozwiązań na poziomie sieci dostępowej oraz terminali ruchomych. Zagadnienia oszczędności energii w częściach szkieletowych tychże sieci są niemal całkowicie pomijane. Studia literaturowe odnoszące się do statystyk zużycia energii elektrycznej na świecie pokazują, że infrastruktura sieciami telekomunikacji mobilnej odpowiada za ponad 3% światowego zużycia energii, z czego aż 20% zużywane jest przez cześć szkieletową tych sieci, a pozostałe 80% przez stacje bazowe. Prosty rachunek matematyczny prowadzi do konkluzji, że same tylko centra danych, tworzące części szkieletowe sieci komórkowych pochłaniają 0,6% światowego zużycia energii, co jest zgodne z raportami firm.

lpod_rys1_09_2015

Rys. 1. Wykorzystanie podniesionej podłogi technicznej do zasilania zimnym powietrzem zabudowanej alejki między rzędami szaf przemysłowych zawierających elementy części rdzeniowej przykładowej sieci komórkowej

W ujęciu definicyjnym centra danych to obiekty infrastruktury IT, w skład których wchodzi sprzęt informatyczny o wysokiej mocy przetwarzania oraz dedykowane oprogramowanie. Sprzęt informatyczny do prawidłowego funkcjonowania wymaga określonego zakresu temperatur i wilgotności, co pozwala minimalizować ilość awarii związanych z czynnikami środowiskowymi. Mniej lub bardziej złożone struktury centrów danych znajdują wiele zastosowań zarówno cywilnych, jak i militarnych. Często także stanowią kluczowy element tzw. infrastruktur teleinformatycznych o charakterze krytycznym (np. centra danych tworzące tzw. część szkieletową sieci komórkowych). Prawidłowe funkcjonowanie sprzętu informatycznego w centrach danych nakłada specyficzne wymagania w zakresie chłodzenia. Typowe podejście polega na zastosowaniu jednostek klimatyzacyjnych, które poprzez umieszczone w podniesionej podłodze technicznej płytki perforowane lub płytki wyposażone w uchylne żaluzje dostarczają zimne powietrze w pobliże szaf przemysłowych. Szafy przemysłowe ustawiane są w rzędach. Przestrzenie między rzędami szaf to alejki. Alejki zimne, to alejki do których doprowadzane jest powietrze z urządzeń klimatyzacyjnych. Z tych alejek zimne powietrze jest zasysane przez stojące w rzędzie szafy. Alejki gorące to alejki z tyłu rzędu szaf, do których wydmuchiwane jest z szaf powietrze ogrzane przez sprzęt informatyczny. Tym samym ciepło generowane przez sprzęt informatyczny umieszczony w szafach przemysłowych jest odbierana przez przepływające medium chłodzące, jakim jest powietrze, natomiast jednostki klimatyzatorów odpowiedzialne są za dostarczanie powietrza o parametrach temperatury i wilgotności w zakresie wymaganym przez sprzęt informatyczny. Według, w 2006 roku centra danych spożytkowały około 61 miliardów kWh energii elektrycznej, której koszt szacuje się na około 4,5 miliarda dolarów. W raporcie przygotowanym przez Natural Resources Defense Council stwierdzono, że w 2013 roku centra danych znajdujące się na terenie USA zużyły 91 miliardów kWh. Prognozuje się, że do 2020 roku wartość ta ma wzrosnąć do 140 miliardów kWh. Jest to prawdopodobne, nawet przy utrzymaniu obecnej słabej tendencji poprawy efektywności energetycznej, mierzonej wskaźnikiem PUE . Jak wykazuje średnia wartość PUE, wynosząca ok. 1.7, około 40% energii elektrycznej jest zużywane na zasilanie systemów chłodzących centrów danych. Wynika to również z innych analiz, zwracających uwagę na duże znaczenie właściwego zarzadzania systemem chłodzenia.

Wstępne wyniki badań prowadzonych przez zespół Laboratorium Przetwarzania Obrazu i Dźwięku, Politechniki Gdańskiej oraz Pomorskiego Centrum Przetwarzania danych w ramach projektu: „Opracowanie aktywnego systemu zarządzania przepływem ciepła w centrach danych” (Projekt: POIG.01.04.00-22-063/13) będą mogły znaleźć szerokie zastosowanie w serwerowniach tworzących część rdzeniową sieci operatorów komórkowych, przyczyniając się istotnie do zmniejszenia kosztów ich utrzymania.

PODZIĘKOWANIA

LogoUE

Niniejsza praca badawcza powstała jako rezultat projektu: „Opracowanie aktywnego systemu zarządzania przepływem ciepła w centrach danych” (Projekt: POIG.01.04.00-22-063/13 współfinansowanego z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Priorytet I – „Badania i rozwój nowoczesnych technologii”, Działanie 1.4 – Wsparcie projektów celowych.

Autorzy pracy pragną podziękować Narodowemu Centrum Badań i Rozwoju za udzielone wsparcie finansowe.